JP4924594B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
このため、例えば、電磁誘導にて定着スリーブを昇温する誘導加熱方式が採用されるようになってきた。誘導加熱方式では、定着スリーブを単一の定着ローラに巻き掛けて定着スリーブ径を最小化し、その熱容量を小さくすることによって、ウォームアップ時間の大幅な短縮を達成している。
このようにすれば、定着スリーブと定着ローラとの間の空気層の断熱効果によって、電磁誘導加熱された定着スリーブから定着ローラへ熱が逃げるのを防止されるので、更に速く定着スリーブを昇温することができる。
従来、定着ローラの回転軸方向の両端には、定着スリーブの蛇行を規制する蛇行規制カラーが設けられており、定着スリーブが蛇行規制カラーに当接すると、定着スリーブはそれ以上蛇行することができない。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、ウォームアップ時間の短縮と、定着スリーブの長寿命化を両立する定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
この場合において、定着ローラは、芯金の外周面が熱膨張性部材で被覆されてなり、当該熱膨張性部材は、定着スリーブからの熱によって膨張するとするのが望ましく、前記熱膨張性部材は、内部に気体が密封された多孔性弾性部材であるとすれば更に好適である。
また、常温における定着ローラの外径が、常温における定着スリーブの内径よりも1.4mm以上小さく、定着温度における定着ローラの外径が、定着スリーブから抜き出した状態で、定着温度における定着スリーブの内径よりも0.8mm以上大きい、関係を有している定着ローラと定着スリーブとを用いれば更にウォーミングアップ時間の短縮を図ることができる。
この場合において、定着ローラの回転軸方向両端部に配設され、定着ローラが常温であるときは、当該回転軸方向への定着スリーブの所定以上の変位を規制し、定着時には、当該規制を解除する規制部材を備え、特に、前記規制部材が可逆的に熱変形することによって前記規制とその解除を行えば、定着時における定着スリーブの損耗を抑えて、その長寿命化を図ることができる。
[1] 画像形成装置の構成
まず、本実施の形態に係る画像形成装置の構成について説明する。
図1は、本実施の形態に係る画像形成装置の主要な構成を示す図である。図1に示されるように、画像形成装置1は、イメージングユニット100Y〜100K、露光器101、中間転写ベルト102、2次転写ローラ103、クリーナ104、給紙カセット105、ピックアップローラ106、定着装置107、排紙ローラ108及び排紙トレイ109を備え、トナーボトル110Y〜110Kが装着されている。
給紙カセット105は内部に記録シートPを格納する。記録シートPはピックアップローラ106によって1枚ずつ取り出され、搬送路へと送り出される。2次転写ローラ103は中間転写ベルト102上のトナー像を記録シート上へ静電転写する。
[2]定着装置107の構成
次に、定着装置107の構成について説明する。
コイルボビン210に巻回された励磁コイル213が発生させる交流磁束は、裾コア211、メインコア212及び端部コア214にて定着スリーブ201に導かれる。
定着ローラ202はφ20mmの芯金の周面上にシリコン製の発泡ゴム層が形成されてなり、常温(15℃)における外径が45.0mmとなっている。このため、常温においては定着スリーブ201と定着ローラ202との間に隙間(断熱空気層)が生じる(図2(a))。断熱空気層の最大層厚は1.4mmである。このため、ウォームアップ時には、定着スリーブ201から定着ローラ202へ熱が逃げるのが防止されるので、ウォームアップ時間を短縮することができる。
[3]実験
本発明の有効性を確認するために幾つかの実験を行ったので、その結果について説明する。
まず、定着スリーブと定着ローラとの間の隙間(断熱空気層)の大きさとウォームアップ時間の長さとの関係について説明する。
図4は、定着スリーブを20℃から定着温度(目標温度170℃)まで昇温するためのウォームアップ時間と断熱空気層の大きさとの関係を示すグラフである。
図4に示されるように、断熱空気層を設けた場合には、定着スリーブが170℃に達するのに約31.5秒で済むのに対して、断熱空気層を設けない場合には約48.2秒かかる。したがって、断熱空気層を設けることによってウォームアップ時間を約35%短縮することができる。
これに対して、本発明の場合には、昇温速度を速めることができるので、待機中やスリープ中に予備加熱を行わなくても、ウォームアップ時間を十分短縮することができる(図5(b))。
(2)定着ローラの寸法
次に、定着ローラの寸法について説明する。
本発明に係る定着ローラは、定着時に膨張、拡径して定着スリーブに嵌着することによって、定着スリーブの蛇行を防止する。そこで、本発明に係る定着ローラを定着スリーブから取り出された状態で定着温度まで昇温して、その外径(以下、「自由膨張外径」という。)がどの程度まで大きくなれば定着スリーブの蛇行を防止することができるかについて実験を行った。
また、システム速度を300m/秒とした。従って、定着スリーブも当該速度で送られる。ニップ荷重は475Nである。ニップ幅は温調温度によって異なるが、180℃で10.5mmとなるようにした。
このような条件の下、蛇行の程度を目視によって判定した。すなわち、目視により定着スリーブの移動が確認できる場合を「蛇行あり」と判定した。また、「蛇行あり」と判定されない場合でも定着スリーブ、定着ローラ及び加圧ローラを30分回し続けた後に目視により蛇行が確認できる場合には「わずかに蛇行あり」と判定した。さもなければ、「蛇行なし」と判定した。
(b)ウォーミングアップ時の外径
本発明に係る定着ローラは、常温時には収縮し、定着スリーブとの間に断熱空気層をもつことによってウォーミングアップ時間を短縮する。そこで、常温時における外径が相異なる定着ローラを用いて、25℃から100℃まで昇オンするのに要した時間から平均昇温速度を求め、ウォーミングアップ時間を短縮するのに適する定着ローラの外径を調べた。
なお、誘導加熱(IH: induction heating)装置の投入電力は1050W、システム速度は300mm/秒、ニップ荷重は475Nとした。ニップ幅は、定着ローラの外径によって異なるが、定着ローラの外径が40mmならば10.5mmである。
(c)定着ローラの膨張量
上述のように、定着ローラの外径は、常温では定着スリーブの内径よりも1.4mm以上小さく、定着時には当該内径よりも0.8mm以上大きくなければならない。すなわち、室温における外径から定着時における外径まで、定着ローラの外径を2.2mm以上膨張させなければならない。
図8に示されるように、定着ローラの外径は温調温度に正比例し、発泡ゴム層の層厚が大きいほどΔφが大きくなる。また、図8を用いれば、定着ローラの必要な寸法を見積もることができる。
(d)まとめ
以上、考察から、本実施の形態においては、定着ローラの芯金径20mm、外径φ45mm、定着スリーブ内径46.4mmとし、ウォームアップ中は断熱空気層を設けて昇温速度を高くし、定着時には定着スリーブに定着ローラを嵌着して定着スリーブの蛇行を抑えている。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
(1)上記実施の形態においては、ウォーミングアップ時など、定着スリーブ201に定着ローラ202が嵌着していない状態における蛇行を防止するために蛇行防止カラー301を用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、蛇行防止カラー301に代えて以下のようにしても良い。
(2)上記実施の形態においては、定着ローラ202の発泡ゴム層を熱膨張させることによって、定着ローラ202の外径を変動させる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、形状記憶合金など他の材料を用いても良い。
また、定着スリーブの温度を温度センサにて検出し、定着温度になり、或いは、定着温度に近づいたら、定着ローラを機械的手段にて拡径しても良い。機械的手段とは、例えば、定着ローラの芯金の外周面上に周設された弾性部材の内部に気体や液体を流し込んで膨張させる等である。
[5]その他
(1)上記実施の形態においては、特に言及しなかったが、定着ローラの外径が定着スリーブの内径に達しない場合には、定着ローラが膨張するほど、定着ローラと加圧ローラとが形成するニップ幅が大きくなる。
一方、定着ローラが膨張するほど、定着ローラと定着スリーブとの接触面積も大きくなるので、定着ローラと定着スリーブとの間の摩擦力が大きくなる。これは蛇行を抑制する要因となる。
一方、定着ローラによる定着スリーブへの押圧力が大きくなれば、定着ローラと定着スリーブとの間の摩擦力も大きくなる。これは蛇行を抑制する要因である。
一般的に、ニップ幅は定着ローラの半径の1/3に比例する。従って、蛇行力は定着ローラの外径の1/3に比例する。また、定着ローラと定着スリーブとの接触箇所の周長は定着スリーブの周長に比例するので、蛇行を抑制する力は定着スリーブの内径に比例する。したがって、定着スリーブの内径が大きいほど蛇行が抑制される。
すなわち、図10に示されるように、定着スリーブ1001が定着ローラ1002と加圧ローラ1003に挟まれた構成において、定着スリーブ1001が加圧ローラ1003に当接する領域であるニップ領域には、定着スリーブ1001が定着ローラ1002に接しない擬似ニップ領域1010が含まれる。
107………………定着装置
201、1001…定着スリーブ
202、1002…定着ローラ
203、1003…加圧ローラ
210………………コイルボビン
211………………裾コア
212………………メインコア
213………………励磁コイル
214………………端部コア
202b……………発泡ゴム層
202a……………芯金
301、901……蛇行規制カラー
302、902……止め輪
901a……………周縁部
901b……………溝部
1010……………擬似ニップ領域
Claims (10)
- 無端ベルト状の定着スリーブを昇温して、トナー像を溶融し、記録シートに融着する定着装置であって、
定着スリーブへ内挿され、定着スリーブの温度が高いほど拡径する定着ローラと、
定着スリーブの外周面に接し、定着ローラとの間に定着スリーブを挟み込む加圧ローラと、
定着スリーブを昇温させる昇温手段と、を備え、
常温のときには、定着ローラに対し定着スリーブが遊嵌された状態となる一方、
定着スリーブが定着温度のときには、定着スリーブが定着ローラに密嵌する状態に遷移しており、
前記定着ローラは、定着スリーブを外した状態で、定着ローラを定着温度に昇温すると、外径が定着スリーブの内径よりも大きくなるような定着ローラである
ことを特徴とする定着装置。 - 定着ローラは、芯金の外周面が熱膨張性部材で被覆されてなり、
当該熱膨張性部材は、定着スリーブからの熱によって膨張する
ことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。 - 前記熱膨張性部材は、内部に気体が密封された多孔性弾性部材である
ことを特徴とする請求項2に記載の定着装置。 - 前記熱膨張性部材は、発泡ゴムである
ことを特徴とする請求項3に記載の定着装置。 - 前記芯金は、外周面がほぼ円筒面になっており、
前記発泡ゴムは前記外周面を厚さ12.5mm以上となるように被覆している
ことを特徴とする請求項4に記載の定着装置。 - 常温における定着ローラの外径が、常温における定着スリーブの内径よりも1.4mm以上小さく、
定着温度における定着ローラの外径が、定着スリーブから抜き出した状態で、定着温度における定着スリーブの内径よりも0.8mm以上大きい、関係を有している定着ローラと定着スリーブとを用いている
ことを特徴とする請求項1に記載の定着装置 - 定着ローラの回転軸方向両端部に配設され、当該回転軸方向への定着スリーブの所定以上の変位を規制する規制部材を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の画像定着装置。 - 定着ローラの回転軸方向両端部に配設され、
定着ローラが常温であるときは、当該回転軸方向への定着スリーブの所定以上の変位を規制し、
定着時には、当該規制を解除する規制部材を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の画像定着装置。 - 前記規制部材は、可逆的に熱変形することによって前記規制とその解除を行う
ことを特徴とする請求項8記載の定着装置。 - 請求項1から9の何れかに記載の定着装置を備える
ことを特徴とする画像形成装置。
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